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2018年 第50卷 第5期 刊出日期:2018-09-18
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  • 流体力学
    横摆振荡翼型动态气动掠效应试验研究1)
    李国强, 陈立, 黄霞
    力学学报. 2018, 50(5):  977-989.  doi:10.6052/0459-1879-18-183
    摘要 ( 457 )   HTML ( 6 )   PDF (23563KB) ( 244 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    大型风力机设计对获取翼型更加全面、准确的动态载荷提出更高要求, 研究翼型横摆振荡动态气动特性具有重要意义. 借助``电子凸轮"技术和动态数据同步采集手段, 针对翼型动态“掠效应”首次开展了横摆振荡风洞试验研究, 研究表明: 横摆振荡翼型的气动曲线存在明显迟滞效应, 吸力面压力周期性波动是主要诱因, 且随着振荡频率、初始迎角和振幅的增大, 气动迟滞特性均增强; 升力和压差阻力随横摆角变化的迟滞回线呈``W"形, 俯仰力矩迟滞回线呈``M"形, 升力差量迟滞回线呈``$\infty$"形; 负行程下翼型气动力相对于正行程下的更高, 且负行程下翼型气动力随振荡频率的增大而略有增大, 正行程下则明显减小; 升力系数功率谱密度分布在振荡频率倍频处的能量集中的幅值随着振荡频率增大有增大趋势; 吸力面1.2%和40%弦长处压力的滞回特性较强, 是由于翼面剪切层涡和动态分离涡周期性发展、运动、破裂和重建; 振幅为$10^{\circ}$时, 升力迟滞曲线呈``$^{\wedge}$"形, 振幅为$30^{\circ}$ 时, 升力迟滞曲线呈``$^{\wedge\wedge\wedge}$"形.
    空化可压缩流动空穴溃灭激波特性研究1)
    王畅畅, 王国玉, 黄彪
    力学学报. 2018, 50(5):  990-1002.  doi:10.6052/0459-1879-18-215
    摘要 ( 453 )   HTML ( 1 )   PDF (23013KB) ( 217 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    为深入研究空化可压缩流动中空泡/空泡团溃灭过程中激波产生、传播及其与空穴相互作用规律,本文采用数值模拟方法对空化可压缩流动空穴溃灭激波特性展开了研究.数值计算基于OpenFOAM开源程序,综合考虑蒸汽相和液相的压缩性,通过在原无相变两相可压缩求解器的控制方程中耦合模拟空化汽液相间质量交换的源项,实现了对空化流动的非定常可压缩计算.利用上述考虑汽/液相可压缩性的空化流动求解器,对周期性云状空化流动进行了数值模拟,并重点研究了空穴溃灭激波特性.结果表明:上述数值计算方法可以准确捕捉到空穴非定常演化过程及大尺度脱落空泡云团溃灭激波现象,大尺度脱落空泡云团溃灭过程分为3个阶段:(1) U型空泡团形成; (2) U型空泡团头部溃灭; (3) U型空泡团腿部溃灭.在U 型空泡团腿部溃灭瞬间,观察到激波产生,并向上游和下游传播,向上游传播的激波与空穴相互作用,导致水翼吸力面新生的附着型片状空穴回缩,直至完全溃灭.并且空穴溃灭激波存在回弹现象, 抑制了下一周期的空化发展.
    基于混合网格多维梯度重构的热流预测方法研究1)
    万云博, 马戎, 王年华, 张来平, 桂业伟
    力学学报. 2018, 50(5):  1003-1012.  doi:10.6052/0459-1879-18-082
    摘要 ( 267 )   HTML ( 1 )   PDF (13411KB) ( 223 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    高超声速气动热环境的数值计算对算法和网格的敏感度极高. 随着高超声速飞行器外形日益复杂, 生成高质量的结构网格时间成本呈指数增加, 难以满足工程应用的需求. 非结构/混合网格因具有很强的复杂外形适应能力, 为了缩短任务周期, 有必要在非结构/混合网格上开展高精度的气动热环境数值计算方法研究. 梯度重构方法是影响非结构/混合网格热流计算精度的重要因素之一. 本文通过引入多维梯度重构方法, 发展了基于常规的非结构/混合网格的高精度热流计算方法, 对典型的高超声速Benchmark算例(二维圆柱)进行了模拟, 并与气动力计算广泛采用的Green-Gauss类方法和最小二乘类方法进行了对比. 计算结果表明, 多维梯度重构方法能有效提高非结构/混合网格热流预测精度, 其鲁棒性和收敛性更好. 最后将多维梯度重构方法应用于常规混合网格的三维圆柱和三维双椭球绕流问题, 得到了与实验值吻合较好的热流计算结果, 展现了良好的应用前景.
    圆角化对方柱气动性能影响的流场机理1)
    杜晓庆, 田新新, 马文勇, 李二东
    力学学报. 2018, 50(5):  1013-1023.  doi:10.6052/0459-1879-18-123
    摘要 ( 377 )   HTML ( 1 )   PDF (8638KB) ( 186 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    方形截面柱体的圆角化处理是常用的流动控制方法,但其流场作用机理尚未被澄清.采用大涡模拟方法,在雷诺数为2.2$\times$10$^{4}$时,考虑风攻角的影响,对均匀流作用下的标准方柱和圆角方柱的气动性能和流场特性进行了研究,定量分析了圆角化气动措施和风攻角变化对分离泡特性的影响规律,从流场角度澄清了圆角化气动措施对方柱气动性能的影响机理.研究表明:与标准方柱相比,圆角方柱的表面风压、气动力和涡脱强度呈整体下降的趋势,但圆角方柱的斯特劳哈尔数更高;圆角方柱的``分离泡流态''发生在更小的风攻角范围内,分离泡的出现会进一步造成方柱的尾流变窄,涡脱强度减弱;随着风攻角的增大,分离泡的长度会逐渐减小直至消失,分离泡的中心会逐渐向方柱前角(迎风向)和方柱壁面移动;与标准方柱相比,圆角方柱的气流发生初次分离的位置向下游移动,分离后的剪切层更贴近方柱,因而更易发生再附现象;方柱尾流宽度的减小和涡脱强度的减弱是导致圆角方柱气动力减小和斯特劳哈尔数增大的主要原因.
    纳米流体液滴撞击壁面铺展动力学特性研究1)
    刘海龙, 沈学峰, 王睿, 曹宇, 王军锋
    力学学报. 2018, 50(5):  1024-1031.  doi:10.6052/0459-1879-18-187
    摘要 ( 276 )   HTML ( 2 )   PDF (6699KB) ( 260 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学特性是基于液滴沉积实现高效传热传质过程的关键因素,然而由于纳米流体的非牛顿流变特性及液滴内微流动与纳米颗粒的耦合作用,目前对纳米流体液滴撞击固体壁面的铺展动力学行为缺乏足够的认识.本研究利用了两步法分别配制了分散有3种纳米颗粒的均匀稳定纳米流体(碳纳米管、石墨烯、纳米石墨粉),并对流体的流变特性进行了测量分析.利用显微高速数码摄像技术捕捉了液滴撞击固体壁面的动态过程,通过图像处理技术分析铺展过程中液滴的无量纲高度、铺展因子及动态接触角,探究了液滴在韦伯数约为200及800时撞击壁面后铺展沉积形态的演变规律.研究表明,3种不同纳米颗粒的加入均使基液表现出明显的剪切变稀特性,在液滴撞击壁面的铺展过程中,流体的剪切黏度起重要作用,液滴的无量纲高度和铺展因子的变化幅度随着纳米流体剪切黏度的增大而减小.纳米流体液滴撞击疏水表面时能更快的达到平衡状态,液滴的惯性力主导着液滴的初始铺展阶段,液滴的铺展范围和速度随撞击速度的增大而增大.开展该研究能够为基于液滴沉积的增益冷却技术以及微型高导热及导电材料的制造提供理论依据和技术指导.
    固体力学
    开裂孔隙材料渗透率的细观力学模型研究1)
    李乐
    力学学报. 2018, 50(5):  1032-1040.  doi:10.6052/0459-1879-18-065
    摘要 ( 407 )   HTML ( 1 )   PDF (3047KB) ( 257 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    采用细观力学方法对含随机裂纹网络的孔隙材料渗透性进行研究.开裂孔隙材料渗透性的影响因素包括裂纹网络的密度、连通度、裂纹的开度以及孔隙材料基体渗透性.对于不连通的裂纹网络,该文采用已有的相互作用直推法(interaction direct derivative,IDD)的理论框架,引入裂纹的密度$\rho$和裂纹开度比$b$,提出了裂纹夹杂$\!$-$\!$-$\!$基体两相复合材料渗透率的IDD理论解.对于部分连通裂纹网络,考虑局部裂纹团内部各个裂纹对有效渗透率的相互放大作用,引入裂纹网络的连通度$f$,定义与连通度相关的水平裂纹密度$\rho^{h}$,按照增量法将表征连通特征的水平裂纹嵌入有效基体中,以此方式来考虑裂纹夹杂间的相互搭接,提出了考虑裂纹连通特征的扩展IDD理论解,分别考虑了基体材料渗透率$K_{m}$、裂纹密度$\rho $、裂纹开度比$b$以及与连通度$f$相关的$\rho ^{\rm h}$.最后通过对有限区域内含随机裂纹网络孔隙材料渗透过程的有限元模拟分别验证了不连通和部分连通裂纹网络扩展IDD模型的适用性:(1)当裂纹不连通时,由于基体对流体渗透的阻隔作用,裂纹的开度对有效渗透率影响不大;(2)当裂纹部分连通时,裂纹密度分别小于1.1(无关联裂纹网络,分形维数为2.0)、1.2(关联裂纹网络,分形维数为1.75)时,扩展IDD模型能够很好地估计开裂孔隙材料的有效渗透率,但是随着裂纹进一步扩展,最大裂纹团主导作用凸显,扩展IDD模型不再适用.
    粒料固有各向异性的离散元模拟与细观分析1)
    钱劲松, 陈康为, 张磊
    力学学报. 2018, 50(5):  1041-1050.  doi:10.6052/0459-1879-18-061
    摘要 ( 301 )   HTML ( 2 )   PDF (15469KB) ( 178 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    料在摊铺后形成的颗粒定向排列将导致其力学性质的固有各向异性. 依据粒料的实际不规则形状, 构建了可模拟粒间咬合嵌挤作用的三维离散元复杂形状颗粒; 生成了5 种不同沉积方向的各向异性试件和1种各向同性试件, 对比了各试件在三轴压缩试验中的宏观力学特性差异; 引入组构张量以量化各向异性程度, 利用玫瑰图表达接触法向与接触力的分布特征, 探究了粒料各向异性的细观发展规律. 结果表明: 颗粒长轴愈趋向水平排布, 峰值应力比愈大, 剪缩与剪胀程度愈明显; 相较于各向同性试件, 沉积角$\theta$为$0^\circ$时, 峰值应力比和最大体积压缩应变分别提高了12.6\%和18.8\%, 其原因在于加载过程中颗粒旋转和滑动百分比更小, 内部调整时间更短、更易被剪密; 固有各向异性对颗粒法向接触力分布的影响不大, 但显著影响接触法向分布特征; 剪切过程中, $\theta$为$90^\circ$时的接触法向各向异性系数先快速减小后逐渐增大, 而$\theta$为$0^\circ$到$60^\circ$时则呈现出增大后稍有回落或趋于稳定的趋势, 且$\theta$ 愈小的试件各向异性系数增大愈快.
    基于非关联流动规律的Gotoh屈服准则的参数确定方法1)
    王海波, 周伟, 阎昱, 李强, 何东
    力学学报. 2018, 50(5):  1051-1062.  doi:10.6052/0459-1879-18-194
    摘要 ( 274 )   HTML ( 6 )   PDF (7122KB) ( 143 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    屈服准则对板料成形过程的理论解析、工艺优化和有限元模拟有着重要的影响. 通过提高屈服准则的各向异性表征能力, 可以确保成形过程的可靠性及实际预测的准确性. 本文基于非关联流动法则, 给出了Gotoh屈服准则一套全新的参数求解方法. 在结合常用屈服准则并考虑流动规律的基础上, 分别以5754O铝合金、DP980先进高强钢和SAPH440结构钢作为研究对象, 进行了不同加载路径下各向异性变形行为的预测. 根据Gotoh屈服准则推导的屈服函数、塑性势函数以及基于关联流动的理论函数计算出屈服应力和各向异性指数$r$值随加载角度的分布趋势, 进而针对平面应力状态的屈服轨迹展开分析, 验证了不同屈服准则和流动规律对各向异性屈服行为的预测精度. 理论与实验数据对比结果表明: 不同屈服准则针对同种板料在流动规律一致的情形下其表征各向异性的能力有显著差异; 相同屈服准则基于不同流动规律其表征能力也具有明显差别. 基于非关联流动的屈服准则能极大地提高精度, 各向异性表征能力显著加强. 相关结果能够为各向异性屈服准则在塑性成形领域的实际应用方案提供重要参考.
    准静态条件下金属材料的临界断裂准则研究1)
    于思淼, 蔡力勋, 姚迪, 包陈, 陈辉, 彭云强, 韩光照
    力学学报. 2018, 50(5):  1063-1080.  doi:10.6052/0459-1879-18-172
    摘要 ( 401 )   HTML ( 5 )   PDF (24951KB) ( 253 )  
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    本文针对9种金属材料完成了具有不同约束程度的10类试样的延性断裂试验, 获得了发生拉、压、扭和裂尖断裂等破坏形式构型试样的载荷-位移试验关系; 基于圆棒漏斗试样拉伸试验所得直至破坏的载荷-位移曲线, 采用有限元辅助试验(finite-element-analysis aided testing, FAT)方法得到了9种材料直至破坏的全程等效应力-应变曲线, 以此作为材料本构关系通过有限元分析获得了各类试样直至临界破坏的载荷-位移关系模拟. 载荷-位移关系模拟结果与试验结果有较好的一致性, 表明用于解决试样颈缩问题的FAT方法所获得的全程材料本构关系针对各向同性材料具有真实性和普适性. 对应9种材料、10类试样的36 个载荷-位移临界断裂点, 通过有限元分析获得了对应的材料临界断裂应力、应变与临界应力三轴度, 研究表明, 第一主应力在延性变形过程中为主控断裂的主导参量; 通过研究光滑、缺口、裂纹等构型试样的断裂状态, 提出了$-1$至3范围的应力三轴度下由第一主应力主控的统一塑性临界断裂准则.
    考虑等效曲率的超二次曲面单元非线性接触模型1)
    王嗣强, 季顺迎
    力学学报. 2018, 50(5):  1081-1092.  doi:10.6052/0459-1879-18-103
    摘要 ( 271 )   HTML ( 1 )   PDF (13016KB) ( 166 )  
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    基于连续函数包络的超二次曲面单元可有效地描述自然界和工业生产中的非球体颗粒形态, 并通过非线性迭代方法精确计算单元间的接触力. 对于具有复杂几何形态的超二次曲面单元, 线性接触模型不能准确地计算不同接触模式下的作用力. 考虑超二次曲面单元相互作用时不同颗粒形状及表面曲率的影响, 本文发展了相应的非线性黏弹性接触模型. 该模型将不同接触模式下的法向刚度和黏滞力统一表述为单元间局部接触点处等效曲率半径的函数; 切向接触作用则借鉴基于Mohr-Coulomb摩擦定律的球体单元非线性接触模型的计算方法. 为检验超二次曲面单元接触模型的可靠性, 对球形颗粒间的法向碰撞、椭球体颗粒间的斜冲击过程、圆柱体的静态堆积和椭球体的动态卸料过程进行离散元模拟, 并与有限元数值结果及试验结果进行对比验证. 计算表明, 考虑接触点处等效曲率半径的超二次曲面非线性接触模型可准确地计算单元间的接触碰撞作用, 并合理地反映非球形颗粒体系的运动规律. 在此基础上进一步分析了不同长宽比和表面尖锐度对卸料过程中颗粒流动特性的影响, 为非球形颗粒材料的流动特性分析提供了一种有效的离散元方法.
    基于高阶剪切变形理论的四边形求积元板单元及其应用1)
    申志强, 夏军, 宋殿义, 程盼
    力学学报. 2018, 50(5):  1093-1103.  doi:10.6052/0459-1879-18-225
    摘要 ( 205 )   HTML ( 1 )   PDF (753KB) ( 165 )  
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    近年来由各类新型复合材料或功能梯度材料构成的板结构在工程领域得到了广泛应用,其显著特点是材料性能沿板厚变化.为合理考虑横向剪切应变,许多学者基于Reddy高阶剪切变形理论,构建了不同的有限元单元对该类板结构进行分析,但其中满足$C^{1}$连续条件的单元相对较少.本文基于Reddy高阶剪切变形理论,采用求积元方法,建立了$C^{1}$连续的四边形板单元.利用该单元对均质材料、复合材料、功能梯度材料构成的等厚度矩形板、变厚度矩形板及等厚度斜板的线弹性弯曲和自由振动问题进行了计算分析,并与现有文献中的相应计算结果进行了对比.研究表明:基于高阶剪切变形理论的四边形求积元板单元具有较高的计算效率和良好的适应性,文中各类材料构成的等变厚度矩形板及等厚度斜板均只需1个单元即可得到理想的计算结果.对于等/变厚度矩形板,可仅使用9$\times$9个积分点,而对于等厚度斜板,随着斜角的增大,所需积分点的数目逐渐增多至15$\times $15.该四边形求积元板单元可进一步用于新型复合材料板的非线性分析.
    双模态振幅调制原子力显微术相互作用区转变研究1)
    周锡龙, 李法新
    力学学报. 2018, 50(5):  1104-1114.  doi:10.6052/0459-1879-18-137
    摘要 ( 267 )   HTML ( 1 )   PDF (12176KB) ( 168 )  
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    双模态振幅调制原子力显微术测试或成像过程中存在引力区和斥力区两种相互作用区. 开展双模态振幅调制原子力显微术针尖样品相互作用区转变的研究, 对于在特定作用区内成像的参数设置、相互作用区范围的控制, 以及对成像结果的正确理解和解释尤为重要. 将有限差分法和同相正交法相结合, 采用数值模拟方法研究了探针模态自由振幅大小设定、样品力学性能变化以及模态激励频率的设置对双模态振幅调制原子力显微术相互作用区转变的影响. 研究结果表明, 探针模态自由振幅之和越大, 则引力区向斥力区转变时的临界设定点越大, 使探针位于引力区的设定点的范围越小. 样品的弹性模量越大、黏度系数越小, 探针在接近样品过程中引力区向斥力区转变发生越早, 即引力区设定点的范围越小. 偏离自由共振频率对探针进行激励时, 引力区的范围均小于以自由共振频率激励时的引力区范围, 探针运动状态的突变并不一定对应相互作用区的转变, 且不能将相位值是否高于或低于90°作为判定探针位于引力区或斥力区的依据.
    二维弹性力学问题的光滑无网格伽辽金法1)
    马文涛
    力学学报. 2018, 50(5):  1115-1124.  doi:10.6052/0459-1879-18-135
    摘要 ( 348 )   HTML ( 5 )   PDF (7984KB) ( 201 )  
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    计算效率低的问题长期阻碍着无网格伽辽金法(element-free Galerkin method, EFGM) 的深入发展. 为了提高EFGM 的计算速度, 本文提出一种求解二维弹性力学问题的光滑无网格伽辽金法. 该方法在问题域内采用滑动最小二乘法(moving least square, MLS)近似、在域边界上采用线性插值建立位移场函数; 基于广义梯度光滑算子得到两层嵌套光滑三角形背景网格上的光滑应变, 根据广义光滑伽辽金弱形式建立系统离散方程. 两层嵌套光滑三角形网格是由三角形背景网格本身以及四个等面积三角形子网格组成. 为了提高方法的精度, 由Richardson外推法确定两层光滑网格上的最优光滑应变. 几个数值算例验证了该方法的精度和计算效率. 数值结果表明, 随着光滑积分网格数目的增加, 光滑无网格伽辽金法的计算精度逐步接近EFGM 的, 但计算效率要远远高于EFGM的. 另外, 光滑无网格伽辽金法的边界条件可以像有限元那样直接施加. 从计算精度和效率综合考虑, 光滑无网格伽辽金法比EFGM具有更好的数值表现, 具有十分广阔的发展空间.
    弹簧-金属丝网橡胶组合减振器迟滞力学模型及实验研究1)
    邹广平, 张冰, 唱忠良, 刘松
    力学学报. 2018, 50(5):  1125-1134.  doi:10.6052/0459-1879-18-165
    摘要 ( 243 )   HTML ( 0 )   PDF (4081KB) ( 212 )  
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    金属丝网橡胶材料是一种完全由金属丝编织成的多孔复合材料,与传统螺旋卷制金属橡胶材料相比,其改进了成型工艺,剔除了制备过程中大量的手工工艺干扰,提高机械化程度,重合度更高,拥有更稳定的力学性能.由于金属丝网橡胶材料具有承载能力高、阻尼大、耐高温、耐低温、耐老化、抗油抗腐蚀等优良特性,在很多方面强于传统橡胶,多用于航空航天、船舶、军事武器等军工工业.弹簧$\!$-$\!$-$\!$金属丝网橡胶组合减振器具有可设计刚度和较高承载能力,但因其具有复杂的非线性迟滞特性,目前相关材料的本构模型还难以准确描述其力学特性.本文在弹簧$\!$-$\!$-$\!$金属丝网橡胶组合减振器静态迟滞力学性能实验的基础上,结合其干摩擦阻尼迟滞特性,提出了一种迟滞力学性能理论模型.根据减振器迟滞实验恢复力$\!$-$\!$-$\!$位移曲线特点,利用参数分离的方法将迟滞曲线分解为弹性恢复力和干摩擦阻尼力,分别建模求解等效刚度和干摩擦阻尼系数,以此建立了组合减振器理论模型,并与实验结果进行对比及进行误差分析,验证了理论模型的准确性.
    动力学与控制
    动力学与控制论力学系统的自由度1)
    胡海岩
    力学学报. 2018, 50(5):  1135-1144.  doi:10.6052/0459-1879-18-219
    摘要 ( 1212 )   HTML ( 16 )   PDF (1970KB) ( 593 )  
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    力学系统的自由度定义源自描述系统位形的独立坐标数.在分析力学发展过程中,人们通过对非完整约束的研究,将其拓展为独立的坐标 变分数.本文指出,对于含非完整约束的力学系统,该定义存在不妥之处,给出的自由度会过度限制系统的力学行为.文中研究力学系统在状态空间中的可达流形,指出可达流形维数与描述系统动力学的一阶常微分方程组的最少未知函数个数一致,例如Gibbs-Appell方程与广义速度方程联立的未知函数个数,进而将可达流形维数的一半定义为系统自由度.通过含黏弹性支承的振动系统、在倾斜平面上运动的冰橇等案例,讨论了单个非完整约束导致的半自由度概念,指出其力学意义和与相邻整数自由度的关系.此外,文中还给出两个非完整约束导致系统减少一个自由度的案例,讨论了系统的切丛和余切丛维数.

    双频激励下Filippov系统的非光滑簇发振荡机理1)
    曲子芳, 张正娣, 彭淼, 毕勤胜
    力学学报. 2018, 50(5):  1145-1155.  doi:10.6052/0459-1879-18-136
    摘要 ( 389 )   HTML ( 1 )   PDF (5447KB) ( 201 )  
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    旨在揭示含双频周期激励的不同尺度Filippov系统的非光滑簇发振荡模式及分岔机制. 以Duffing和Van der Pol耦合振子作为动力系统模型,引入周期变化的双频激励项,当两激励频率与固有频率存在量级差时,将两周期激励项表示为可以作为一慢变参数的单一周期激励项的代数表达式,给出了当保持外部激励频率不变,改变参数激励频率的情况下,快子系统随慢变参数变化的平衡曲线及因系统出现的fold分岔或Hopf分岔导致的系统分岔行为的演化机制.结合转换相图和由Hopf分岔产生稳定极限环的演化过程,得到了由慢变参数确定的同宿分岔、多滑分岔的临界情形及因慢变参数改变而出现的混合振荡模式,并详细阐述了系统的簇发振荡机制和非光滑动力学行为特性.通过对比两种不同情形下的平衡曲线及分岔图,指出虽然系统有相似的平衡曲线结构, 却因参数激励频率取值的不同,致使平衡曲线发生了更多的曲折,对应的极值点的个数也有所改变,并通过数值模拟, 对结果进行了验证.
    生物、工程及交叉力学
    完备化ANCF薄板单元及在钢板弹簧动力学建模中的应用1)
    兰朋, 崔雅琦, 於祖庆
    力学学报. 2018, 50(5):  1156-1167.  doi:10.6052/0459-1879-18-133
    摘要 ( 216 )   HTML ( 1 )   PDF (9611KB) ( 144 )  
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    绝对节点坐标方法已在多体系统动力学研究中广泛应用, 但常用来描述板壳类结构的薄板单元, 由于梯度不完备而无法直接用于带有初始弯曲参考构型的柔性体变形描述. 为避免全参数板单元建立车辆钢板弹簧模型时存在的严重截面闭锁问题, 拟采用薄板单元用于板簧建模. 为此, 探索了将现有绝对节点坐标薄板单元纳入一般连续介质力学弹性力表达的方法, 采用中面上单位法向量作为单元厚度方向的梯度向量, 从而得到了完备化的薄板单元及其描述初始弯曲构型时消除初应变的方法. 在此基础上通过定义簧片的未变形构型, 在钢板弹簧中引入可控的预应力, 实现对钢板弹簧装配过程的准确模拟. 通过数值算例验证了本方法的正确性. 建立了车辆钢板弹簧模型, 通过建立在簧片上的局部坐标系实现接触点的跨单元搜索, 并采用惩罚函数法和平滑化的库伦摩擦模型施加簧片间的接触力. 引入参考节点的概念建立了整合车身与吊耳及其机构运动关系的刚柔耦合模型.}}
    一种横观各向同性强度准则及变换应力空间1)
    万征, 宋琛琛, 赵晓光
    力学学报. 2018, 50(5):  1168-1184.  doi:10.6052/0459-1879-18-134
    摘要 ( 199 )   HTML ( 1 )   PDF (3848KB) ( 237 )  
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    考虑岩土介质在自然形成过程中产生的原生各向异性性质,将其简化为一种横观各向同性岩土材料.基于已提出的a强度准则,根据沉积面与有效滑移面在物理空间中位置的相互关系,采用两面的空间夹角作为度量岩土材料原生各向异性在加载条件下发挥强度作用的影响变量.并根据有效滑移面的物理概念,当沉积面与有效滑移面夹角越大,则摩擦特性潜力发挥的越充分,此时对应更高的强度应力比,反之则对应越小的强度应力比.基于上述思想,建立了考虑原生各向异性的强度应力比公式,将其用于修正a准则,进而得到了横观各向同性a准则公式.采用上述横观各向同性a准则公式向各向同性Von-Mises准则公式转换的变换思路,在横观各向同性a准则公式基础上,推导得到了变换应力公式,该公式可由横观各向同性应力空间转变为各向同性应力空间,利用所提出的变换应力方法,可方便的将传统的在偏平面上以Von-Mises准则为基础的二维模型转换为可考虑原生各向异性的三维模型.通过对岩土材料的强度以及真三轴条件下的应力应变关系试验数据预测,验证了所提的横观各向同性a准则及其变换应力公式的有效性及适用性.
    基于频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法1)
    孙攀旭, 杨红, 吴加峰, 王志军
    力学学报. 2018, 50(5):  1185-1197.  doi:10.6052/0459-1879-18-170
    摘要 ( 276 )   HTML ( 4 )   PDF (6894KB) ( 228 )  
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    黏性阻尼模型存在每周期耗散能量与外激励频率相关的缺陷, 复阻尼模型时域计算结果存在发散现象. 为克服上述两种阻尼模型的不足, 在复阻尼模型基础上, 依据时频域转化原则推导了频率相关黏性阻尼模型. 频率相关黏性阻尼模型不仅具有每周期耗散能量与外激励频率无关的优点, 还保证了结构位移时程的稳定收敛. 混合结构由具有不同阻尼特性的材料组成, 其阻尼矩阵为非比例矩阵, 无法直接采用实模态叠加法. 根据频率相关黏性阻尼模型与复阻尼模型的转换关系, 提出了适用于混合结构的基于频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法. 算例分析结果表明, 与基于黏性阻尼模型的复模态叠加法相比, 基于频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法不仅计算结果唯一, 且不增加矩阵维度, 具有较高的计算效率. 小阻尼情况下, 两种方法的计算结果近似相等, 且与复阻尼模型的频域计算结果一致. 当阻尼比较大时, 两种方法的计算结果差异增大, 但频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法与复阻尼模型的频域计算结果仍保持一致.
    含肿瘤皮肤组织传热分析的广义有限差分法1)
    李艾伦, 傅卓佳, 李柏纬, 陈文
    力学学报. 2018, 50(5):  1198-1205.  doi:10.6052/0459-1879-18-155
    摘要 ( 259 )   HTML ( 3 )   PDF (3985KB) ( 248 )  
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    生物传热分析在低温外科手术、肿瘤热疗、病热诊断等临床医学治疗和诊断中有着广泛的应用. 由于健康皮肤组织内肿瘤的存在使得肿瘤附近区域的温度会明显升高, 这一特性常被用于检测皮肤组织内的肿瘤生长, 因此有必要开展生物传热数值分析的研究. 本文以含肿瘤的皮肤组织为研究对象, 将一种新型区域型无网格配点法——广义有限差分法应用于能描述含肿瘤皮肤组织传热过程的Pennes方程求解. 广义有限差分法利用泰勒展开式与移动最小二乘法将计算区域内的每个离散点上的物理量导数表示成其与邻近点物理量及权重系数的线性组合, 进而构建得到仅含各离散点未知物理量的线性方程组. 该方法不仅具有无需划分网格、避免数值积分等无网格配点法的优点, 同时还克服了大多数无网格配点法中插值矩阵高度病态的问题, 为此类方法在大规模工程数值计算中的应用提供了可能性. 本文首先介绍了模拟含肿瘤皮肤组织传热过程的广义有限差分法离散模型, 随后通过不含肿瘤与含规则形状肿瘤的基准算例, 检验广义有限差分法的计算精度与收敛性; 在此基础上, 通过数值模拟研究不同肿瘤形状及肿瘤位置分布对皮肤组织内温度分布的影响.
    爆炸对自然磁场干扰机理1)
    栗建桥, 马天宝, 宁建国
    力学学报. 2018, 50(5):  1206-1218.  doi:10.6052/0459-1879-18-081
    摘要 ( 537 )   HTML ( 0 )   PDF (16964KB) ( 223 )  
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    爆炸产生的电磁场对爆炸测试有较明显的干扰, 一些含金属炸药产生的电磁干扰甚至可以使设备失效, 为了给出爆炸产生电磁效应的理论分析方法和特性, 针对常规炸药爆炸过程中观察到的自然磁场扰动现象进行理论机理和数值模拟研究. 采用热平衡电离理论描述爆炸过程中产生的电离气体, 结合爆炸问题的数值模拟方法, 获得爆炸场中电导率的时空分布, 计算磁场扩散率; 基于非理想全磁流体力学方程求解一定磁扩散率下等离子体高速运动引起的自然磁场扰动, 实现爆炸产生磁场效应的二维模拟; 对比炸药不同起爆条件对产生磁场扰动的影响, 结果表明: 炸药起爆参数对磁场扰动有很大的影响, 这种影响源自于电导率的巨大差异, 虽然爆轰产物的高速运动有引起磁场大幅度扰动的能力, 然而只有具有一定电导率的爆轰气体才能冻结磁场扰动. 数值模拟结果与文献中的结果进行了对比, 模拟得到的由电磁波引起的磁场扰动在时间尺度上与文献结果符合较好, 从一定程度上证明了数值模拟方法的可靠性. 本文的数值模拟结果指出炸药几何构型不对称的时候, 在自然磁场取不同方向时将会产生不同的磁场扰动强度, 而这是目前该领域中尚且无人关注和讨论过的问题.
    基于场力的驾驶员影响因素交通流动力学模型1)
    陈永, 贺红, 张薇, 周宁
    力学学报. 2018, 50(5):  1219-1234.  doi:10.6052/0459-1879-18-109
    摘要 ( 292 )   HTML ( 0 )   PDF (22333KB) ( 180 )  
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    为研究驾驶员行为对道路交通的定量影响, 针对驾驶员行为特点, 综合考虑了驾驶员受到的直接物理影响和间接心理影响、相对速度以及车辆自身特性等因素, 结合场力、图论等方法, 提出了一种用于模拟考虑驾驶员影响因素的元胞自动机交通流动力学模型(简称IDCA模型). 通过计算机数值模拟, 研究了考虑驾驶员影响因素下车流演化机理及不同驾驶员类型对道路交通流的影响. 结果表明: 与NaSch模型相比, 本文建立的IDCA模型能够模拟得到丰富的交通行为, 再现了同步流等交通现象, 从速度波动和车头间距波动分析得出IDCA模型下道路交通流具有更强的稳定性, 堵塞消融效率更高. 此外得到了由不同驾驶员类型按不同比例组成的混合交通流的密度-速度图和密度-流量图, 发现在道路相同中高密度下, 激进型驾驶员所占的比例越大, 车辆速度与交通流量越大, 交通流量随着保守型驾驶员比例的增加而降低. 最后模拟实现了车辆高速跟驰现象, 得到小间距高速跟驰率超过7%的结果与实测结果相符合.
    高超声速飞行器气动热关联换算方法研究
    赵金山, 张志刚, 石义雷, 陈挺, 肖雨, 粟斯尧, 廖军好, 彭治雨
    力学学报. 2018, 50(5):  1235-1243.  doi:10.6052/0459-1879-18-070
    摘要 ( 281 )   HTML ( 2 )   PDF (4142KB) ( 195 )  
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    气动热风洞实验是地面研究和预测飞行器气动热环境的重要手段之一, 但由于风洞实验模拟能力的限制, 风洞实验的流场参数和模型的几何尺度都会与实际飞行情况存在一定的差别, 导致地面风洞实验中得到的模型表面气动加热率数据无法直接用于飞行条件下的热环境预测和热防护设计. 以往通过针对具体飞行器的试验结果进行数据拟合后外插的气动热关联换算方法指向性较强, 没有考虑到气动热的具体影响参数, 存在一定局限性, 难以外推应用于其他外形的飞行器. 为解决通过气动热风洞实验数据外推预测飞行条件下气动热的技术难题, 基于无量纲NS方程和边界层理论分析研究了影响气动热的主要参数, 并通过推导化简边界层近似解热流公式, 针对层流流态建立了气动热关联换算方法, 可以考虑当地边界层外缘参数的影响, 具有一定通用性. 在此基础上, 利用建立的方法将Reentry-F飞行器缩比模型的风洞实验数据换算到该飞行器飞行条件下的典型工况, 并与飞行测量结果进行了比较, 外推预测结果与飞行测量结果符合较好, 表明建立的关联方法可以用于气动热风洞实验数据的外推换算.
    科学基金
    2018年度力学科学处面上项目、青年科学基金和地区科学基金资助情况介绍
    詹世革, 白坤朝, 曹东兴, 王刚
    力学学报. 2018, 50(5):  1246-1265.  doi:10.6052/0459-1879-18-292
    摘要 ( 1200 )   HTML ( 8 )   PDF (354KB) ( 551 )  
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    对2018年度国家自然科学基金委员会数理科学部力学科学处面上项目、青年科学基金和地区科学基金资助情况进行了简要介绍,给出了资助项目清单。
    动态
    第十八届美国理论与应用力学大会总结
    段慧玲, 曲绍兴, 施兴华, 杨绍普, 王立峰, 魏宇杰, 季葆华, 郭万林, 王杰, 柯燎亮, 彭志龙, 阚前华, 吕朝锋, 陈玉丽, 姚海民, 周济福, 孙超, 刘桦, 张一慧, 王萍, 廉艳平, 阎军, 章青, 孙洪广, 王东东, 张雄, 詹世革, 孟庆国, 陈杰, 汤亚南
    力学学报. 2018, 50(5):  1266-1275.  doi:10.6052/0459-1879-18-294
    摘要 ( 474 )   HTML ( 6 )   PDF (272KB) ( 411 )  
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